基于STM32的智能電機保護器設計

2．4 通訊電路
智能電機控制中心(IMCC)的控制結構大都是總線型分布式網絡結構，系統中有中央控制器負責調度和監控所有電機的運行。根據所使用的中央控制器(大多為PLC)的不同，系統的通訊協議有MODBUS、Fieldbus和以太網等。其中最常見的是MODBUS協議。MODBUS協議的物理層是基于RS485的半雙工通訊網絡，電機保護器在其中是處于從機地位。
由于電機保護器內部是共熱地系統，所以RS485遠程通訊需要與控制器主回路隔離。對于RS485收發器的隔離，需要對通訊信號和收發器的供電進行隔離。電機保護器的通訊接口設計的通訊波特率最高需要達到57．6kbps，因此需要使用高速光耦或者數字隔離芯片完成對通訊信號的隔離。
數字隔離芯片是一種新型的器件，TI、ADI和Silicon Lab等公司都有推出擁有各自專利的數字隔離器件，但各家芯片的引腳封裝和引腳功能大部分都是兼容的，可以直接替換。相對傳統的高速光耦，數字隔離器件具有功耗低、傳輸速率高、兼容3V／5V系統和外設簡單等優點。實際連接電路如圖3所示。

3 系統軟件設計
3．1 監控程序
智能電機保護器中，MCU只要完成電流和電壓的采樣、計算、分析來實現各種保護功能，并且實時顯示線路的參數和記錄故障狀態。
系統軟件中，全局監控軟件用來循環掃描各個單元子程序的狀態，包括模數轉換器的數據采樣，數據采集完成后對數據進行計算，而后根據計算結果和預先設置的電機參數，結合保護策略判斷出當前電機的狀態。最后通過LCD顯示器和輸出控制接口發出相應的狀態信息和控制功能。
3．2 ADC的配置和使用
由于電機保護器采集的是50Hz工頻電壓電流，同時為了能夠監測到電網中的高次諧波成分(主要是3次諧波)，因此在ADC的采樣頻率需要設置在工頻的整數倍，從而使得采樣快速傅立葉(FFT)運算時得到最準確的精度。同時，數據采樣時，由于計算功率需要同時采集電壓、電流值，因此在系統設計時，將三相的參數分別分配到兩個模數轉換器，而將溫度量放置在第三個模數轉換器。所有的模數轉換均采用內部定時器中斷觸發。
對于電壓和電流的采集，系統采用同步采樣模數，即同時采集同一個通道的電壓和電流值；同時在采樣通道配置寄存器中，將三個電壓電流通道依次排列，使得在一次定時器觸發下，一次性完成所有通道的轉換。
由于FFT需要一組數據進行計算，所以為了最低程度的CPU干預，系統設計使用了DMA來完成轉換結果的傳遞。程序設計時，需要設置兩塊數據存放區，用于采樣數據的交替存放；同時DMA傳遞的字節計數的預置值即為傅立葉轉換數組長度乘以采集的通道數。
3．3 遠程通訊
電機保護器設計為MODBUS從機，所有的電機運行狀態、控制狀態等參數都是放置在系統約定地址的寄存器中。同時MODBUS從機需要給每一個電機控制器預置一個網絡中唯一的從機地址，所以還需要使用按鍵和LCD屏幕來設置從機地址。

4 結語
本文提出一種基于STM32系列新品的智能電機保護器，本設計充分利用了STM32芯片的資源，提供必要的外圍器件構成了一個完整的系統。實際應用證明，此系統能有效保護電機，且具有結構簡單、功能完善、接口豐富等優點，根據實際需要還可以開發出諸如USB、CAN open等接口，因此此系統可以更廣泛地應用于工業生產各個領域。